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熱電効果 ねつでんこうかthermoelectric effect

ブリタニカ国際大百科事典 小項目事典の解説

熱電効果
ねつでんこうか
thermoelectric effect

2種類の導体または半導体の両端を接合して閉回路をつくり,両接合点を異なる温度に保つと熱起電力を生じて回路に電流が流れる現象をいう。 1821年に T.J.ゼーベックにより発見されたのでゼーベック効果ともいう。これはさらにペルチエ効果トムソン効果によるものであることが,のちに明らかにされた。この効果を利用しp型とn型の半導体を接合して熱電気発電を行う方法も開発されているが,効率はあまり高くない。また熱起電力から温度差を知ることができるので温度計として使うことができ,普通,熱電対と呼ばれている。

出典 ブリタニカ国際大百科事典 小項目事典ブリタニカ国際大百科事典 小項目事典について 情報

日本大百科全書(ニッポニカ)の解説

熱電効果
ねつでんこうか
thermoelectric effect

導体(金属または半導体)において、熱の流れと電流が同時に関係している現象の総称。ゼーベック効果、ペルチエ効果、トムソン効果などがある。これらの現象は電子のふるまいを考えると理解しやすい。導体内には、電流を運ぶことのできる「自由電子」が存在するが、電子は自身の運動エネルギーに相当する熱も運ぶので、熱と電気が干渉しあう効果が生ずるのである。ここでは、熱電効果についての定性的な説明をする。電子は温度に応じて不規則な熱運動をしており、温度が高いほど活発で速度が速いことに注意する(半導体などでは、正電気をもつ「正孔(せいこう)」が電流を運んだり、正孔と電子が混在して電流を運んだりする場合もある)。[宮台朝直]

絶対熱電能

導体棒の両端を異なる温度に保ち、電流を流さない場合には、両端に電位差が生ずる。単位長さの導体棒の両端温度差1℃のときの電位差をこの導体の絶対熱電能ε(単位は[V/K])という。εは物質により異なり、温度にも依存する。この機構は次のように理解される。個々の電子は不規則な方向に運動しているため、棒の任意の断面を通って右に行く電子もあり、左へ行く電子もある。高温側から低温側へ向かう電子は速度が大きく、逆に向かう電子の速度は小さい。一方、電流はゼロなので、一定の時間内にこの断面を通る電子は、左右に向かう数が等しくなければならない。そのためには低温側の電子数のほうが高温側の電子数より多くなければつり合いがとれない。すなわち、低温側が負に高温側が正に帯電することになる。この帯電により、導体棒の両端間には電位差が生ずる(導体内部に高温側から低温側へ向う電場が発生する)。熱流の向きと電場の向きが一致するときεの符号を負とする。前記の説明は、導体内の電流の担い手が電子で完全に自由な場合にあてはまりεは負となるが、実際の導体では完全に自由ではなく、また電流の担い手が電子とは限らないので、絶対熱電能εの符号は前記のように簡単ではない。この事情は次のトムソン効果についても同様である。絶対熱電能は直接実験的に測定できないので、標準物質との差を熱起電力として測定するか、次のトムソン係数から計算で求める。[宮台朝直]

トムソン効果

前記と同様に導体棒の両端に温度差を与え、今度は図Aのように電池をつないで電流を流すと、導体棒から(ジュール熱のほかに)発熱または吸熱がおこる。この現象をトムソン効果とよぶ。この熱は電流に比例し、電流の向きを逆にすると発熱・吸熱が入れ替わる可逆現象である(ジュール熱は不可逆現象)。この機構は次のように理解される。電流が流れているので、導体棒の断面を通って左右に向かう電子の数は等しくない。低温側から高温側へ電流を流せば、電子は電流と逆方向へ流れるので、高温側から低温側へ向かう電子の数のほうが多くなる。差し引きすれば、電子は高温側から熱を運ぶことになるので、導体は発熱する。電流の向きまたは両端温度の高低を逆にすれば吸熱がおこることも容易に理解されよう(可逆現象)。両端温度の差をΔT[K]、電流をI[A]、導体棒の発熱量をQT[W] とすると、ΔTが小さければ、QTIΔTに比例し、QT=σIΔTと表される。比例係数σをトムソン係数とよび、単位は[V/K]である。σは物質定数で温度にも依存する。図Aのように、熱流の向きと電流の向きが逆のときに発熱がおこる場合、σを負とする。この機構からもわかるように、トムソン効果は絶対熱電能と密接に関係し、

の関係が成立つ。[宮台朝直]

ゼーベック効果

異種の2本の導体A、Bの両端を、図Bのように接合して閉回路をつくり、両端を異なる温度T1T2に保つと電流が流れる。この現象をゼーベック効果という。一方の導体(B)を中間点Pで切断して(内部抵抗の十分大きな)電圧計を挿入すると電圧が測定される。この電圧を熱起電力とよぶ。熱起電力は、導体A、Bの絶対熱電能εA、εBの差として現れるのである。熱起電力をVT[V]とすれば、εA、εBを使って、

と表される。温度測定に利用される熱電対はこの効果を応用したものである。[宮台朝直]

ペルチエ効果

異種の導体A、Bの一端同士を接合して電流を流すと、接合部分で(ジュール熱のほかに)発熱または吸熱がおこる。この現象をペルチエ効果とよぶ。電流の運ぶ熱が導体により異なるためにおこる現象である。発(吸)熱は電流に比例し、電流の向きを逆にすると吸(発)熱に変わる可逆現象である。接合点における発熱量QP[W]は電流I[A]に比例し、QP=πABIの関係があり、πABをペルチエ係数とよぶ(単位は[V])。ペルチエ効果、トムソン効果、絶対熱電能は密接な関係があり、πABは導体A、Bの絶対熱電能εA、εB
  πABTB(T)-εA(T))……(2)
という関係で結ばれる。Tは接合点の絶対温度[K]である。前記の(1)と(2)式は熱力学的に導出できる。[宮台朝直]

出典 小学館 日本大百科全書(ニッポニカ)日本大百科全書(ニッポニカ)について 情報 | 凡例

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